[论文解读] Measurement of the production cross section for a W boson in association with a charm quark in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2359 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用 1

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）CMS实验采集的138 fb⁻¹数据，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，对W + c夸克的产生截面进行了高精度测量。通过采用OS-SS减法方法，并结合通过μ子和次级顶点进行的先进c夸克识别技术，该研究在R±c比值上实现了1%的精度，测得R±c = 0.950 ± 0.005（统计）± 0.010（系统），为奇异夸克部分子分布函数提供了关键约束，并对NNLO QCD理论预测进行了检验。

ABSTRACT

The strange quark content of the proton is probed through the measurement of the production cross section for a W boson and a charm (c) quark in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ collected with the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm jets are tagged using the presence of a muon or a secondary vertex inside the jet. The W+c production cross section and the cross section ratio $R^\pm_ ext{c}$ = $\sigma$(W$^+$+$\bar{ ext{c}}$)/$\sigma$(W$^-$+$ ext{c}$) are measured inclusively and differentially as functions of the transverse momentum and the pseudorapidity of the lepton originating from the W boson decay. The precision of the measurements is improved with respect to previous studies, reaching 1% in $R^\pm_ ext{c}$. The measurements are compared with theoretical predictions up to next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，以更高精度测量W + c产生截面的总截面和微分截面。
• 通过R±c = σ(W+ + c)/σ(W− + c)比值，对质子的奇异夸克部分子分布函数（PDF）施加约束。
• 检验QCD理论预测至次次领头阶（NNLO）以及电弱修正至领头阶（NLO）的精度。
• 验证蒙特卡洛事件生成器的性能，并改进包含W玻色子和c夸克末态的校准方法。

提出的方法

• 分析基于CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹积分亮度的质子-质子碰撞数据。
• 通过W玻色子的轻子衰变（电子或μ子与中微子）来识别W玻色子。
• 利用喷注内的次级顶点或孤立μ子对c夸克进行标记。
• OS-SS减法技术通过比较W玻色子与c夸克电荷组合的正负号（OS）与同号（SS）情形，有效抑制背景。
• 测量在由轻子pT > 35 GeV且|η| < 2.4，以及c夸克喷注pT > 30 GeV且|η| < 2.4定义的物理相空间内，展开至粒子层次和部分子层次。
• 理论比较基于NNLO QCD计算和使用多种PDF集合（如CT18、MMHT2014、NNPDF3.2）的NLO预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，W + c产生截面的总截面和微分截面的高精度测量结果是什么？
• RQ2 R±c比值的测量精度如何？其结果揭示了s与s̄夸克PDF之间对称性的何种信息？
• RQ3 NNLO QCD预测在多大程度上能够描述测量得到的截面和R±c比值？
• RQ4 当前蒙特卡洛事件生成器在多大程度上能准确模拟W + c产生过程并与实验数据相符？

主要发现

• R±c比值的测量精度达到1%，测得R±c = 0.950 ± 0.005（统计）± 0.010（系统），相比以往CMS测量结果，不确定性降低了50%。
• 测得的R±c值与NNLO QCD精度的理论预测一致，支持当前对奇异夸克PDF的理解。
• 在物理相空间内测量了W + c的总截面，结果展开至部分子层次以最小化探测器效应。
• 报告了以轻子横向动量和伪快度为函数的微分截面，具有高统计与系统精度。
• OS-SS减法技术有效抑制了顶夸克和W + cc产生等主要QCD背景。
• 结果对NNLO QCD计算提供了严格检验，并进一步收紧了对奇异夸克PDF的约束，特别是其与s̄夸克的不对称性。